學生公寓防限電裝置及違規負載的識別

摘 要：負荷識別是高校用電管理系統的重要功能，目前市場上出現的防限電電路裝置嚴重地干擾了負荷識別的準確性。文章以識別這類防限電裝置及其違規負載為目的，分析了裝置的電路結構和工作原理，通過仿真給出了各個電路輸入電流的波形并作了諧波分析。在此基礎上，結合現有各類負荷識別技術的優缺點，提出了基于電流積分和上升時間檢測的識別方法，為相關產品的研發提供了新的思路。

關鍵詞：負荷識別；防限電裝置；非線性負載；可控硅整流

引言

高校學生公寓火災給大學生的人身和財產帶來巨大的損害，調查表明，這類火災主要是由于學生使用熱得快、電爐子等大功率阻性負載造成，因此，如何識別出該類負載，對于學生公寓用電管理的智能化具有重要的意義。針對這一課題，許多學者提出了有效的方法：劉寧寧等提出基于小波分析的負載識別方法[1]，李昂等提出一種基于面積比較的識別方法[2]；王娟、馮潔、石彥輝等提出了基于神經網絡的識別方法[3-5]；鄭宇等提出基于諧波分離的負載識別[6]。上述方法都是基于一種思想，即在電腦、電視機、充電器和熒光燈等非線性負載的使用過程中檢測出電爐子等阻性負載。但是近一兩年來，市場上出現一系列防限電插座、插排等，把這些裝置連接在學生宿舍的電源插座和大功率阻性負載之間，學校的用電管理系統就會把電爐子等阻性負載誤認為非線性負載，從而失去負載識別的作用，給學生公寓火災的發生造成新的隱患。文章給出目前常用的防限電裝置的電路結構，在此基礎上分析其工作原理，并提出識別大功率阻性負載的方法。

1 負載識別的對象及其常用方法

違規電器檢測是宿舍用電管理系統的重要功能之一，檢測的主要對象是大功率電器，檢測的主要手段是觀察輸入電流。宿舍的大功率負載主要分為三類：第一類為阻性負載，如電爐子，熱水器等，這類負載的電流與電壓相位相同，其波形如圖1中i1所示；第二類為感性負載，其電流與電壓頻率相同，但是滯后電壓一個相角，波形如圖1中i3所示；第三類為非線性負載，如電腦，這類負載的電流畸變波是為非正弦波，包含大量的諧波成分，其波形如圖1中i2所示。上述三類大功率負載中第一類為違規電器，通常被稱為惡意負載或違規負載，是用電管理負載識別的主要對象。

圖1 各類負載電流波形

目前負載識別的主要方法有功率因數法、瞬時功率增加法、波形比較法、面積關系判別法和諧波分離法等[7]，而具體實現時還需結合神經網絡和小波分析等實用工具。

功率因數法是通過測量負載的功率因數來進行負載識別。對于純阻性負載，其功率因數為1；對于感性或容性負載，功率因數為0；而混合負載的功率因數介于0到1之間。因此，可根據功率因數的值判斷電路中的負載狀況。

瞬時功率增加法是通過實時檢測用戶的使用功率來識別違規負載的方法。當用電管理端檢測到用戶的瞬時功率值突然大幅增加時，可斷定電路中啟動了大功率負載。但這種方法容易在投入功率較大的非線性負載時造成誤判。

波形比較法也是在時域中進行惡意負載識別的方法。對負載啟動前后的電流波形進行相減運算得到電流的差值波形，若波形為正弦波，且頻率及相位均與電壓相同，則可斷定投入負載為阻性負載。這種方法的缺點是，當電路中出現毛刺等嚴重干擾時會出現誤差。

面積關系判別法是根據不同用電器的電流波形積分面積不同來區分負載的方法。阻性大功率負載輸入電流的波形為正弦波，正弦波在半個周期內的面積積分為2。非線性整流性負載輸入電流的波形呈脈沖狀， 其積分面積通常可由9以內的奇次波的面積之和近似。這樣，根據積分面積的不同，可以區分學生公寓內的線性負載和非線性整流負載。但由于不同的非線性負載電流波形的諧波不同，所以其面積積分的結果也不一樣，因而這種基于面積比較判別法不具有通用性。

諧波分離法的基本依據是，線路中有阻性負載投入時，一是總平均功率增加，二是諧波分量維持不變。依據該方法，當用電端檢測到總功率增加后，再對輸入電流進行諧波分析，若諧波分量的特點基本沒有改變，可視為投入阻性負載。該方法的缺點是，當投入的負載電流諧波與電腦等非線性負載相似時，難以識別負載是否為違規負載。

2 防限電裝置的電路結構及工作原理

目前市場上常見的防限電裝置主要有防限電插座、插排等[8]，這類裝置的工作原理就是把與之串接的阻性負載偽裝成非線性負載，把阻性負載的輸入電流由正弦波畸變為脈沖波，從而使用電管理端的負載識別系統產生誤判。由于該類裝置通常由個人或小公司制作，出于成本和技術原因，其電路結構都比較簡單，大致可分為兩類。

第一類，半波整流濾波型。該類裝置實際上就是在阻性負載和電源之間串接一個大功率二極管，構成半波整流電路，其電路結構和輸入電流的波形分別如圖2（a）和2（b）所示，由于這種波形只是半個正弦波，所以無論是用功率因數法、波形比較法還是面積關系判別法，都不能檢測到該阻性負載的存在。但是，如果把上述識別方法的檢測周期變為原來的一半，仍然可以識別出該負載。針對上述不足，防限電裝置又有了新的改進，即在原電路上并聯一個二極管，構成半波整流濾波型電路，其電路結構圖和輸入電流如圖2（c）與2（d）所示。由于這種電流已畸變為非正弦波，所以用上述三種方法再難以識別。但是半波整流濾波型防限電裝置并不能控制負載的使用功率，這在負載功率較大時容易被用電管理端采用瞬時功率增加法識別。另外，由于該類負載的電流包含豐富的偶次諧波，也可能被用電管理系統采用諧波分離法識別。

第二類，雙向可控硅整流型。該類防限電裝置既能把阻性負載的電流畸變為非正弦脈沖，又能控制負載的使用功率，從而進一步增加了用電管理端負載識別的難度。目前市場上典型產品內部電路的主要部件為BTA系列雙向可控硅，電路結構如圖3（a）所示。電路的工作過程是：電源處于正半周期時，電流經過負載R2、電阻R3及可變電阻R4對電容C2充電，電容二端電壓逐漸升高，充電時間主要由R4和C2大小決定。當C2上電壓達到一定的值時D2導通，可控硅D1也導通，負載R2有電流流過；電源處于負半周期時，電容C2上電壓反轉， D2又截止，可控硅D1也隨之截止，負載R2也停止工作。接著C2開始新一輪的充電，然后D2和可控硅D1再次導通，負載R2再次開始工作。如此循環不已，負載R2上的電流i也變現為周期性的非正弦波，如圖3（b）所示；對電流i作傅里葉變換，可得其各次諧波分量的相對值，如圖3（c）所示。目前該類防限電裝置能逃避用電管理端負載識別系統的檢測，原因主要有兩個：一是通過調節可變電阻R4，可以調整負載的使用功率，避免其功率值超過用電管理端的限制；二是輸入電流的波形與電腦極為相似，采用目前常用的方法難以有效檢測。二者究竟有怎樣的相似性，還需要分析電腦的電路特性。電腦的電源輸入端為開關電源，其等效電路可簡化為圖4（a）所示電路[9， 10]，其輸入電流i的波形如圖4（b）所示，電流i各次諧波分量的相對值如圖4（c）所示。

比較圖3（b）和4（b），可以看出二者都是非正弦波，且在一個周期內的積分為零。因此，采用功率因數法、波形比較法都不能識別出電腦與惡意負載的區別。比較圖3（c）和4（c），不難發現電流的諧波相對值也非常相似，所以采用面積關系判別法和諧波分離法同樣難以有效識別惡意負載。正是出于這一點，目前第二類防限電裝置得到廣泛應用，給高校學生公寓用電安全帶來很大的隱患。

那么究竟如何區分電腦與非線性惡意負載呢。文章經過仔細分析，提出一種“上升時間判別法”，即通過比較電腦與非線性惡意負載電流的上升時間來區分二者。粗略觀察圖3（b）和4（b ），會發現3（b）中的電流在可控硅導通的瞬間電流會發生突變，類似為階躍函數，而4（b）中的脈沖電流雖然變化也比較快，但還屬于連續漸變型。觀察電流變化的細節，如圖3（d）和4（d）所示。圖3（d）是電腦電流的變化圖，其上升時間大約為800us；圖4（d）是可控硅雙向整流電路帶負載時的電流，其上升時間大約為10us，可見二者存在非常大的差異，非常易于區分。因此，通過檢測非線性負載上升時間的大小，能有效地識別出第二類防限電裝置及其惡意負載的存在。需要說明的是，某些隨機干擾脈沖電流的上升時間可能也會很短，但這些電流值只是瞬間存在而不可持續，可是非線性負載的電流上升到一定值后卻會持續較長時間。通過這一特點可把違規負載的上升電流與干擾電流區分開。

3 識別防限電裝置及違規負載的方法和流程

由于負載識別主要是檢測違規使用的大功率負載，所以首先實現的步驟是大功率檢測；其次是識別線性負載和非線性負載；然后區分非線性負載是電腦還是串接了防限電裝置的違規負載。根據上述思想，綜合目前各類負載識別方法的優點，文章提出一種全面的檢測方法，其步驟及如下：

第一步：瞬時功率檢測。功率檢測是負載識別的核心內容和首要步驟，識別系統應隨時檢測總功率是否有激增現象，具體辦法是，每隔一定的時間段檢測一次用戶的總功率，然后和上一次的數據作比較，如果功率差值較小，則說明沒有新的大功率負載投入使用，可不予理會；反之，如果功率差值較大，則需要進一步判別是否有違規電器投入使用。

第二步：波形比較。在發現電源總功率有激增現象之后，用激增后的電流減去激增前的電流，得到差值電流。如果差值電流的波形與供電電壓的頻率和相位一致，可斷定有純阻性違規負載投入使用，并予以限電處理；如果其波形并非正弦波，則有待進一步判別該負載是否串接防限電裝置。

第三步：面積計算。如果阻性違規負載串接了第一類防限電插座，那么由圖2可見，其輸入電流波形在一個周期內積分不為零，而電腦和第二類防限電插座的輸入電流波形在一個周期內的積分為零。因此，通過計算一個或多個周期內電流面積積分是否近似為零，可以判斷出是否有第一類防限電裝置的存在。

第四步：上升時間判別法。在排除第一類防限電裝置之后，需要識別第二類防限電裝置及其違規負載是否存在，通過檢測上升時間可達到這一目的。由圖4（d）可知，常規電腦輸入電流的上升時間？子接近1ms，而第二類防限電裝置及其惡意負載輸入電流的上升時間大約多只有10us。可設定一個合適的域值，比如100us，如果？子>100us，視為正常非線性負載；如果低于這一閾值，視為違規負載。至于上升時間閾值究竟取多大合適，還需要通過實驗來進一步研究。

4 結束語

文章在分析學生公寓防限電裝置電路結構和工作原理的基礎上，綜合采用現有各類負載識別技術的優點，提出了檢測該類違規負載的方法，并給出具體的工作流程。以本方法為理論框架，再結合小波分析和神經網絡等信號處理技術，必能克服電壓波動和諧波干擾等不利因素，有效識別出各類學生公寓違規負載。

參考文獻

[1]劉寧寧，亢海偉.小波分析在負載識別中的應用[J].河北省科學院學報，2004，21（1）：8-12.

[2]李昂.智能負載識別器的設計[J].微機與應用，2005（4）：21-22.

[3]王娟，高蒙，亢海偉.基于BP神經網絡的負載識別和C語言實現[J].河北省科學院學報，2005，22（1）：11-14.

[4]馮潔，高蒙.基于小波神經網絡的負載類型識別[J].電氣技術，2008 （2）：47-49.

[5]石彥輝，等.基于小波神經網絡的非線性負載功率預測[J].電測與儀表，2008，45（516）：8-11.

[6]鄭宇，姚加飛.基于諧波分離的學生公寓負載特性識別[J].電氣應用，2007，26（8）：113-116.

[7]鄭宇.神經網絡在學生公寓用電負荷識別中的應用研究[D].重慶大學，2007.

[8]防限電插座[DB].http：//baike.baidu.com/view/6525757.htm

[9]K C Umeh，A Mohamed，R Mohamed.Determining Harmonic Characteristics of Typical Single Phase Non-Linear Loads[J]. IEEE，2003，4（3）：413-419.

[10]蘇風華，電腦硬件維修從入門到精通[M].成都：電子科技大學出版社，2012.

作者簡介：趙曉陽（1980，2-），女，博士，研究方向：分子馬達，非線性動力學，信號與信息處理，工作單位：內蒙古化工職業學院。